基于科研思維訓練的物理化學實驗教學改革

高娟娟

(吉林大學 化學學院，吉林 長春 130022)

物理化學是四大基礎化學中理論性最強的一門學科。它從物理學角度分析物質體系化學行為的原理和規律，是近代化學原理的根基。作為物理化學教學的重要組成部分，物理化學實驗要求學生綜合運用物理和化學的原理、技術、儀器和數字運算工具，具有很強的理論性、實踐性和研究性[1-3]。開設物理化學實驗課程，不僅可以幫助學生掌握物理化學的基本理論，基礎研究方法和基本操作技能，還可以培養學生的創新意識和分析解決問題的能力，提高他們的科學素養[4]。但目前大多數高校還采用傳統的物理化學實驗教學模式，通過實驗教師講解儀器的使用、實驗操作步驟、注意事項、如何處理數據等內容，學生按照化學實驗教材機械地進行操作。這樣導致學生不能深刻理解其中的實驗原理和方法，不能培養他們學習物理化學實驗的積極性和提高物理化學實驗教學效果[5]。此外，物理化學理論課教師在課堂上也常常忽視對物理化學實驗原理的講解，再加上物理化學實驗所用儀器貴重，數量少等原因，實驗教學一般采取分組、幾個實驗循環開展的模式進行，使得理論教學與實驗進度脫節，學生難以消化其中的知識點[3]。為了更好地解決物理化學實驗教學中出現的問題，探索“以學生為主體”的教學模式具有重要意義[5]。因此，實驗教師在教學過程中不僅僅要讓學生順利完成實驗，更應該注重學生科研思維的培養。目前，部分高校將科研實例引入本科物理化學實驗教學中，使教學與科研深度融合，可以很好地培養學生的實踐能力和創新意識。但在實驗教學中嵌入科研訓練，需要在資金、人員、場所、學生實驗時間等方面提供充分的支持。所以大多數高校由于實驗條件的限制，不能有效地為本科生開展科研訓練[6]。

科研思維訓練一般包括提出課題、查閱文獻、配置儀器、設計實驗方案以及分析和解決實驗問題等步驟[6]。本文以“四氯化碳飽和蒸汽壓的測定”實驗為例，將科研思維訓練引入常規實驗教學項目中，對于提高學生的學習興趣和創新意識具有深遠意義。

1 明確細化實驗預習內容，改進實驗教學方法

上實驗課之前，學生通常都會按照教師的要求進行預習，但大多數同學只是將實驗教材上的實驗目的、原理和實驗步驟抄到預習報告上，很少會主動思考三者之間的聯系，這樣不能很好地培養學生的學習能力[7]。為此，教師應該明確細化實驗預習的內容，根據實驗教材上的課題提出相關問題，讓學生查閱文獻、展開思考，并將答案寫在實驗預習報告上。

例如，根據物理化學實驗教材，對于“四氯化碳飽和蒸氣壓的測定”實驗，提出預習內容部分相關問題如表1。

表1 預習內容部分相關問題

通過回答這些問題，學生不僅能夠深入了解實驗內容和注意事項，還能夠將實驗內容和理論知識有效結合起來，對于提高物理化學實驗教學效果具有重要意義。

2 改進實驗教學內容，訓練科研思維能力

在實驗教學中，加入對學生科研思維的訓練，對于培養學生獨立思考問題的能力和創新能力具有深遠意義，所以一直以來都是實驗教師們研究的熱點。由于靜態法測定液體飽和蒸汽壓的準確度較高，大多數高校都使用靜態法進行實驗。靜態法測定時涉及到的儀器設備比較多，如玻璃平衡管、緩沖儲氣罐、真空泵、數字壓力計等，連接也比較復雜，再加上教材中的實驗裝置示意圖與實際使用的設備不一致等原因，使得學生對整個實驗裝置沒有直觀的印象和理解[8]。為此，在實驗課堂上先讓學生們熟悉儀器和了解各部分裝置的作用，并讓他們對其原理進行剖析，對于學生更好地掌握物理化學實驗知識具有重要意義。例如，玻璃平衡管的U型管內盛有適量的液體可以起到液封作用。當外部壓力降低到等于試液球液面上的純液體壓力時，U形管中兩個液面呈水平狀態，此時外部壓力即為該溫度下純液體的飽和蒸氣壓；數字壓力計顯示的是外部大氣系統與冷凝管連接的U型管液面上方氣相系統之間的壓力差；緩沖儲氣罐在真空泵的作用下可以逐漸將罐內的氣體抽出，并且通過旋轉減壓閥調節減壓幅度[9]。實驗過程包括檢查氣密性、裝試樣、恒溫啟動冷卻裝置、排出空氣、調節等高、讀數調溫度等步驟[8]。其間教師要注重培養學生的動手操作能力并強調實驗中的注意事項。例如，測定過程中空氣不慎倒回入試液球，只有再次抽真空后才能繼續實驗；停止抽氣前，應先將真空泵與大氣連通，否則會造成循環水真空泵倒吸，引發事故[10]。在整個過程中，我們讓一部分學生用靜態升溫法測定；另一部分學生用靜態降溫法測定并讓他們比較數據之間的差異。當學生根據實驗步驟完成“四氯化碳飽和蒸氣壓的測定”后，讓他們再思考如何舉一反三。例如，當測定乙醇、水和乙酸乙酯的飽和蒸氣壓時，應該怎么做？當用動態法測定液體飽和蒸氣壓時，需要用到什么儀器裝置以及如何連接？靜態法測定涉及到的實驗裝置的優缺點是什么以及如何改進？這些問題都需要學生閱讀相關文獻并找出最優方案，在此過程中能夠很好地培養學生獨立思考的能力和解決問題的能力。另外，學校應該盡可能每周選一定的時間設置開放性實驗，為學生設計的實驗方案提供條件并給予指導，這對于培養他們的科研思維能力和創新意識具有重要意義。

3 培養學生分析處理實驗數據的能力和思考能力

在靜態法測定過程中，要求學生記錄不同溫度下液體的飽和蒸氣壓。根據克勞修斯-克拉貝龍方程的積分公式lnp=-ΔvapHm/RT+B，以lnp為縱坐標，1/T為橫坐標作圖，通過線性擬合得到線性方程的斜率K。然后根據K=-ΔvapHm/R得到平均摩爾汽化熱ΔvapHm，這涉及到溫度T和壓力p的精確記錄以及lnp和1/T的計算[8]。要求學生使用excel軟件或origin軟件進行作圖和線性擬合，并評估數據的可靠性，如線性相關系數越接近于1，表明數據相關性越好，精確度越高。最后通過與四氯化碳的理論摩爾汽化熱對比，求出相對誤差，并讓學生分析是降溫法還是升溫法測定得到的摩爾汽化熱更接近文獻值并討論原因。同時，在開放性實驗課堂上，讓學生通過測定其他液體，如乙醇、水、乙酸乙酯等的飽和蒸氣壓，并將數據與文獻值對比，找出更多適合作為液體飽和蒸氣壓測定實驗的試劑。這樣不僅能夠提升學生學習物理化學實驗的興趣，還能夠很好地培養他們的科學研究能力。

4 培養嚴謹的科學態度和團隊合作精神

在飽和蒸氣壓實驗測定過程中，要求學生如實記錄實驗數據并作圖，不能隨意篡改。實驗結束后，要對結果進行分析討論并總結原因，這樣可以很好地培養他們的科學嚴謹性。另外，我們安排兩名學生為一組，一起完成實驗，一個負責觀察U形等壓計的液位，另一個負責觀察溫度和數字壓力計的示數。只有相互合作他們才能獲得比較好的實驗結果。在此過程中，不僅提高了他們的團隊合作能力，還為他們以后繼續深造或者走上科研崗位奠定了良好的基礎[7]。

5 改革課程考核模式，提高實驗教學效果

之前對物理化學實驗成績的考核主要側重于實驗報告的寫作和完整性，忽視了對實驗操作的考核，導致學生不能對實驗操作技能的規范性予以重視[11]，不利于學生良好行為習慣和科學素質的培養。因此，建立一套完整的實驗課程評價體系非常重要。在成績考核時，應根據預習情況、動手操作情況、實驗報告完成情況和誤差分析情況對學生的自主學習能力、實驗操作技能、數據處理能力和分析討論問題的能力給予綜合評價，這對于培養他們的創新意識、實踐能力和科研思維能力具有重要意義。除此之外，在教學過程中，還應制定合理的考察機制，督促教師優化教學設計，提高實驗教學效果[2]。

6 結語

本文以“四氯化碳飽和蒸氣壓的測定”實驗為例，在常規性實驗教學的基礎上引入科研思維訓練，在實驗預習、實驗操作、數據處理、考核模式等方面進行了一系列改革。對涉及到的內容進行了深度挖掘，使驗證性實驗逐步向創新性實驗過渡，讓學生對液體飽和蒸氣壓測定的知識有了更全面的掌握，并可舉一反三。不僅提高了學生的實驗操作技能，還提高了他們獨立思考問題的能力和創新意識，達到了培養學生科研思維的目的。